談方琪

摘要：概述了基于GIS的森林景觀格局分析方法，從數(shù)據(jù)材料的獲取及處理、森林景觀分類、森林景觀格局分析3個方面詳細(xì)介紹了現(xiàn)有的分析方法。通過對比現(xiàn)有的分析方法，找出各方法的優(yōu)勢和劣勢，提出了對未來分析方法的展望。

關(guān)鍵詞：森林;景觀格局分析;GIS

中圖分類號：TU986 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2018）05-0160-04

1 引言

森林景觀是以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體，與相互聯(lián)系的的其他景觀要素一起構(gòu)成的一類景觀[1]。森林景觀格局是指性質(zhì)、大小及形狀各異的森林景觀要素在空間上的分布和組合特征，是當(dāng)今森林景觀生態(tài)學(xué)研究的核心[2]。它是森林景觀異質(zhì)性表現(xiàn)為某種相對穩(wěn)定或普遍的規(guī)律性空間分布形式。目前，我國對森林景觀格局的研究相對成熟，主要集中在對森林景觀格局特征、景觀格局動態(tài)變化及驅(qū)動力、景觀格局尺度效應(yīng)等方面[3]。

森林存在諸多特點，如森林生長周期長，資源分布地域遼闊，具有再生性和成熟不確定性，存在森林火險隱患等[4]，所以森林資源數(shù)據(jù)往往情況復(fù)雜且數(shù)據(jù)量龐大。因此利用GIS數(shù)據(jù)處理和空間分析功能，進(jìn)行森林景觀格局的分析，并且將分析結(jié)果進(jìn)行區(qū)域定點，構(gòu)建相互之間空間上的聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)，為森林景觀生態(tài)規(guī)劃和管理提供理論依據(jù)，就顯得尤為重要。

地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）是指利用計算機硬件和軟件采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述特定的地理分布數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)[5]。目前進(jìn)行景觀格局分析最為通用的一種技術(shù)。隨著地理學(xué)、計算機科學(xué)及測繪學(xué)等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展，依賴于這些學(xué)科的GIS也有了日新月異的進(jìn)展，應(yīng)用前景十分廣泛。GIS強大的空間信息處理和分析功能，能夠快速、精確和綜合地對復(fù)雜的森林系統(tǒng)進(jìn)行空間定位和過程動態(tài)分析，是現(xiàn)在及未來進(jìn)行森林格局分析

2 森林景觀格局分析

2.1 數(shù)據(jù)材料的獲取及處理

利用GIS進(jìn)行森林景觀分析需要研究地的森林資源數(shù)據(jù)作為支撐，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源一般分為兩類：資源調(diào)研數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)。

實地調(diào)研數(shù)據(jù)往往適用于研究面積較小，易于進(jìn)行長期實地勘測、調(diào)研的區(qū)域。通過實地走訪，可以將森林分布、地理坐標(biāo)、地貌、土壤類型、植被特征等相關(guān)信息進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查和記錄，在多年實地調(diào)研的基礎(chǔ)上構(gòu)建森林資源與環(huán)境數(shù)據(jù)庫，全面地了解森林的各時段特征，及多時段變化情況[6]。如反應(yīng)森林資源連續(xù)清查結(jié)果的森林資源分布圖及森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)常作為調(diào)研數(shù)據(jù)直接使用，劉國海等利用GIS技術(shù)，數(shù)字化森林資源分布圖與安順市西秀區(qū)行政區(qū)圖，并進(jìn)行疊加分析[7]。孫擁康等則以湖北省建始縣國有長崗林場森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基本材料，對林場現(xiàn)階段的森林景觀格局特征進(jìn)行分析，更加精確地反映了林場現(xiàn)階段的情況[8]。但部分研究所使用的數(shù)據(jù)來源單一，數(shù)據(jù)內(nèi)容不夠全面，且調(diào)研年限較為久遠(yuǎn)，不具有時效性，導(dǎo)致實驗結(jié)果不具有現(xiàn)實指導(dǎo)作用。

隨著全球各類衛(wèi)星的發(fā)射，RS技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，同時各類航拍技術(shù)也臻于完善，近年來，越來越多的研究數(shù)據(jù)是由遙感影像提供。楊英寶等采用1985、1995年的Landsat TM和2000年的Landsat ETM+，對南京城市景觀空間格局的變化進(jìn)行分析?，F(xiàn)階段研究多將資源調(diào)研數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)相結(jié)合，綜合多方數(shù)據(jù)特點，既提高了精確度與實時性，也提高了研究的可操作性[9]?；谶b感影像的簡便易獲性與實地調(diào)研數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，研究者漸漸傾向于將兩類數(shù)據(jù)相結(jié)合，快速、精確、完整地獲得森林景觀相關(guān)數(shù)據(jù)。如在進(jìn)行廣州省森林景觀空間格局特征研究中，作者利用了廣東省TM多光譜遙感數(shù)據(jù)、IRS-P6多光譜遙感數(shù)據(jù)、SPOT5正射影像、2004年森林資源二類調(diào)查資料、第六次國家森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)、土地利用詳查圖、森林分布圖、林種分布圖及土壤分布圖等有關(guān)專題圖件[10]，全面解析了當(dāng)?shù)氐纳仲Y源情況，提出了合理配置森林結(jié)構(gòu)、減少人為干擾、加大保護力度等應(yīng)對措施。

在獲取源數(shù)據(jù)后，需要利用GIS軟件強大的空間分析功能，進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的預(yù)處理。一般先進(jìn)行輻射定標(biāo)，將圖像的亮度灰度值轉(zhuǎn)換為絕對的輻射亮度。再將輻射定標(biāo)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行FLASH大氣校正，排除大氣中水蒸氣、氧氣、二氧化碳、甲烷和臭氧等物質(zhì)對地物反射的影響，消除大氣分子和氣溶膠散射的影響，反應(yīng)地物的真實反射率。若研究地有較為復(fù)雜的地形，可結(jié)合DEM地形數(shù)據(jù)，進(jìn)行地形校正，排除地形對遙感反射率的影響[11]。最后，再結(jié)合研究地的精準(zhǔn)測繪地圖，如行政區(qū)劃圖進(jìn)行幾何校正，保障多時段影像的統(tǒng)一性。經(jīng)過GIS預(yù)處理后的森林景觀數(shù)據(jù)排除了技術(shù)上的大部分誤差，保障了實驗的準(zhǔn)確性和嚴(yán)謹(jǐn)性，是景觀格局分析過程中不可或缺的一部分。

2.2 森林景觀分類

森林景觀類型的劃分應(yīng)以森林景觀的外在特征作為依據(jù)[12]，是森林景觀格局分析的基礎(chǔ)。基于景觀要素地類型及構(gòu)成形式，對森林景觀進(jìn)行分類，從而確定了各類型的空間分布形式，為研究森林生態(tài)和景觀格局分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[13]。外在特征是景觀類型劃分的首要依據(jù)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的具體情況及實驗分析要求，同時結(jié)合固有分類系統(tǒng)及分類要求，可對部分劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，同時注意滿足劃分條件的獨立性和完全不重合性[14]。

陳端呂等將森林景觀歸并為杉木類、松類、闊葉類、經(jīng)濟林、灌木類、柏木類、竹類和非林地8種景觀類型組成[15]。周亞東等根據(jù)海南島土地利用狀況及研究區(qū)森林資源特征，以地類、林種、優(yōu)勢樹種、起源為依據(jù)，劃分為天然林、人工林、灌木林、農(nóng)地、水域和其他非林地6種景觀類型[16]。曹瑜娟等在對湖南嘉義森林公園森林景觀進(jìn)行劃分時，根據(jù)《湖南省森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查技術(shù)規(guī)定》、《湖南省森林資源調(diào)查常用數(shù)表》和研究區(qū)土地利用特點，將研究區(qū)內(nèi)森林景觀類型分為純林地、混交林地、竹林地、未成林造林地、采伐跡地、水域、建設(shè)用地7大類[17]。孫擁康等遵循植被分布規(guī)律和分類結(jié)果不至于過分破碎原則基礎(chǔ)上，兼顧森林景觀外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異，按照地類因子、植被因子及地形因子相結(jié)合的3級分類方法，研究區(qū)森林景觀劃分為松類、杉類、速闊類、針針混交類、針闊混交類、闊葉混交類、無林地類共7類景觀類型[18]。值得關(guān)注的是，Christian等利用2001-2012年十年間的MCD12Q1全球數(shù)據(jù)集，總結(jié)了卡廷加植物地理區(qū)景觀格局的變化過程，并預(yù)測分析了未來荒漠化和破碎化的情況[19]，此研究所用數(shù)據(jù)為衛(wèi)星直接分類處理后的影像，已構(gòu)建統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)，很大程度上減輕了用地分類標(biāo)準(zhǔn)模糊所帶來的誤差問題，為今后的研究提供參考。由上述論文可知，現(xiàn)階段研究多參照官方文件要求和已完善的景觀劃分方法，結(jié)合研究地特殊森林資源特點劃分森林景觀類型。同時Laszlo等利用數(shù)據(jù)挖掘法（如分類和回歸樹-CART，隨機森林-RF，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-ANNs）對匈牙利全國土壤類型進(jìn)行分類[20]，此種綜合性方法可嘗試引入森林景觀分類中。

對森林景觀類型進(jìn)行劃分后，利用GIS技術(shù)提取各類森林景觀資源斑塊，隨后進(jìn)行分類處理，精確定位各類森林景觀資源的位置，使其在地圖中的分布可視化，為后期景觀格局分析提供直接數(shù)據(jù)依據(jù)

2.3 森林景觀格局分析

現(xiàn)階段景觀格局分析方法分為兩類：格局指數(shù)方法和空間統(tǒng)計學(xué)方法，而森林景觀格局多運用格局指數(shù)方法和景觀動態(tài)模擬模型分析法。

2.3.1 基于格局指數(shù)法的森林景觀格局分析

為了將景觀格局信息簡易直觀地進(jìn)行表達(dá)，反應(yīng)結(jié)構(gòu)組成和空間構(gòu)建的主要特征，將各類信息凝練總結(jié)后以景觀指數(shù)表現(xiàn)。所以利用各類景觀格局指數(shù)可以反應(yīng)特定景觀格局信息，多種指數(shù)結(jié)合后能較為全面地描述景觀格局內(nèi)容。是現(xiàn)階段研究中廣泛運用的一種科學(xué)方法。

景觀指數(shù)主要從斑塊尺度、景觀類型尺度、景觀尺度三個方面對景觀格局進(jìn)行描述，反應(yīng)景觀特征和變化趨勢。作者往往根據(jù)研究目的，對大量景觀指數(shù)進(jìn)行篩選，獲取與分析最為相關(guān)的景觀格局指數(shù)，再運用Fragstats軟件進(jìn)行景觀指數(shù)計算。蔣群星等選取斑塊尺度上的7個指數(shù)，對桃源縣森林景觀格局進(jìn)行分析，結(jié)果主要集中于當(dāng)時各類森林景觀的分布形式和斑塊特征，只能得到某一時空內(nèi)靜態(tài)的森林資源分布情況[21]。謝世友等通過十年間的4項景觀多樣性指數(shù)，動態(tài)檢測了研究區(qū)域的森林景觀空間格局演變，總結(jié)了溫度、降雨等氣候因子對格局演變的影響，客觀性較強[22]。葉麗敏等首先提取地貌類型、坡度和坡向3個地形因子的信息并進(jìn)行等級劃分，將生成的地貌類型圖、坡度分布圖、坡向分布圖分別與研究區(qū)的森林景觀類型圖進(jìn)行空間疊加，選取8個景觀指數(shù)進(jìn)行分析，得到不同地形條件下各森林資源的情況，一定程度上揭示地形因子對景觀格局變化的影響程度[23]。陳雅如等在三峽庫區(qū)森林景觀破碎化分析上，選定7項景觀破碎化與連通性指數(shù)，并從斑塊面積分級和景觀指數(shù)兩個角度分析景觀格局的破碎化過程[24]。值得關(guān)注的是，在傳統(tǒng)方法中通常運用GIS軟件分析計算景觀格局指數(shù)，Jason等則利用SDMtoolbox2.0這一新興研究軟件，結(jié)合GIS用于景觀遺傳、生物地理和物種分布模型分析，使分析更加的全面與完善[25]。

雖然現(xiàn)階段尚未將某一指數(shù)與某一生態(tài)過程相關(guān)聯(lián)，但是通過森林景觀格局的動態(tài)變化，指導(dǎo)生態(tài)學(xué)過程的研究是如今研究的熱點。楊慧等在對北京東靈山地區(qū)白樺種群進(jìn)行研究時，將白樺的空間分布格局同生態(tài)過程進(jìn)行一定的關(guān)聯(lián)，得出種內(nèi)與種間關(guān)系會直接影響白樺種群整體及各階段的分布格局[26]。劉隆德等利用6項景觀格局指數(shù)，基于Kriging對冊亨縣森林景觀穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出最大斑塊指數(shù)對對景觀穩(wěn)定性影響最大，在GIS中對景觀穩(wěn)定性的分布情況進(jìn)行可視化[27]，景觀穩(wěn)定性評價模型對今后進(jìn)一步關(guān)聯(lián)景觀格局和生態(tài)過程有一定推動作用。在國外現(xiàn)階段研究中，多通過分析比較多時段內(nèi)的森林景觀格局，嘗試與相應(yīng)過程關(guān)聯(lián)。如通過分析1989、2001和2014年埃塞俄比亞Tekeze-Atbara盆地土地利用類型變化的速度和位置、凈變化（Ng）、總改變（TO、持久性等，獲得持久性比（Gp）、持久性損失比（Lp）和交換改變（Sw）[28]，以此解釋景觀格局的改變與人口、經(jīng)濟等變化的關(guān)系。Reddy等也發(fā)現(xiàn)長期森林變化數(shù)據(jù)集對于碳凈排放凈模型非常有用，且與生物多樣性保護的破碎化這一生態(tài)過程高度相關(guān)[29]。

2.3.2 基于景觀動態(tài)模擬模型分析法的森林景觀格局分析

近些年來，我國逐漸結(jié)合景觀動態(tài)模擬模型，對于森林景觀格局進(jìn)行定量分析。森林景觀生態(tài)過程模擬模型和決策模型研究，促進(jìn)了景觀建模方法的完善和發(fā)展，并為研究景觀格局中各種驅(qū)動因子的制約因素及其管理提供了依據(jù)[30，31]。森林景觀動態(tài)模型一般分為空間模型和非空間模型?？臻g模型可分為：零假設(shè)模型、景觀空間動態(tài)模型、景觀個體行為模型以及景觀過程模型[32]。非空間模型主要以FORET為代表，其主要功能是模擬森林演替。我國林區(qū)森林景觀生態(tài)模擬模型研究多采用馬爾柯夫模型及空間直觀景觀模型。楊學(xué)軍等應(yīng)用空間狀態(tài)空間模型，進(jìn)行了區(qū)域森林景觀生態(tài)經(jīng)濟功能的多目標(biāo)規(guī)劃[33]。胡遠(yuǎn)滿等應(yīng)用空間直觀景觀模型（LANDIS），研究有采伐和無采伐預(yù)案下大興安嶺呼中林區(qū)的森林景觀的長期變化[34]。在國外相關(guān)研究中則大量使用各種模型進(jìn)行景觀格局分析，Xi等將景觀模擬模型應(yīng)用到學(xué)習(xí)森林管理、生態(tài)評估、恢復(fù)規(guī)劃、氣候變化等方面，并討論了景觀建模方法、應(yīng)用及其優(yōu)缺點[35]。Hualin Xie等利用邏輯回歸模型來研究林地變化，用森林碎片模型，而非傳統(tǒng)森林景觀格局指數(shù)分析森林破碎化模式和干擾模式[36]，這一研究在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上提出新的分析方法，值得借鑒。Lia Montti等利用生態(tài)位模型繪制潛在入侵區(qū)域、遙感、地理信息系統(tǒng)和實地調(diào)查，以繪制入侵模式及其與景觀和環(huán)境變量的關(guān)系[37]?？傮w來說我國利用景觀動態(tài)模擬模型進(jìn)行森林景觀格局的研究并不多，這也是未來研究的一大趨勢。

3 存在的不足與未來展望

3.1 存在的不足

近年來，我國基于GIS的森林景觀格局分析研究獲得了很大的發(fā)展并取得了較為顯著的成績。但是與同階段國際水平相比，我國的森林景觀研究隊伍過于分散，沒有形成一定的規(guī)模，與國際先進(jìn)水平還有著較大的差距，主要存在以下幾個方面的問題。

（1）現(xiàn)階段研究主要集中在景觀格局指數(shù)分析上，對于如何構(gòu)建景觀動態(tài)模擬模型，如何與景觀生態(tài)過程相關(guān)聯(lián)，并沒有更加深入的探索和研究，導(dǎo)致對于森林景觀格局分析只停留在表面。

（2）現(xiàn)在我國對森林景觀資源進(jìn)行劃分的依據(jù)仍停留在主觀的描述上，未構(gòu)成系統(tǒng)性的客觀分類標(biāo)準(zhǔn)，未對各類特異性情況進(jìn)行歸一劃定。

（3）景觀格局定量分析方法的不確定性。從景觀格局定量分析的數(shù)據(jù)源、方法、定量分析過程和解釋都存在不確定性。如何保障分析過程的準(zhǔn)確性，減少誤差，是景觀格局分析中重要的研究課題。

（4）目前，用于解決景觀分析的軟件數(shù)量較多，各研究未能對研究軟件進(jìn)行統(tǒng)一，無法將各研究成果及進(jìn)展進(jìn)行快速比對，實現(xiàn)地理信息的共享。

3.2 未來展望

（1）加強森林景觀空間格局與森林景觀生態(tài)過程之間的研究。單一地應(yīng)用景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析，只能反應(yīng)當(dāng)時數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，在時間跨度上并沒有形成長期關(guān)聯(lián)，缺少對于生態(tài)過程的關(guān)注。在今后的研究中將更集中于景觀生態(tài)過程，通過過程發(fā)展預(yù)測未來景觀格局情況，提出相應(yīng)問題的解決措施。

（2）現(xiàn)如今我國各種模型的開發(fā)、應(yīng)用尚開始起步，處于初步摸索的階段，應(yīng)需多多學(xué)習(xí)國外的相關(guān)模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)分析方法，再與我國森林資源特征相結(jié)合，發(fā)展出適合我國應(yīng)用的直觀模型。

（3）GIS是目前能夠很好地進(jìn)行空間屬性數(shù)據(jù)分析與表達(dá)的技術(shù)，也是目前公認(rèn)的高新技術(shù)之一，在分析和處理空間屬性數(shù)據(jù)方面有著獨特的優(yōu)勢，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。利用GIS更多地進(jìn)行森林景觀格局動態(tài)變化及驅(qū)動力、景觀格局尺度效應(yīng)方面的研究，是未來發(fā)展趨勢之一。

（4）研究森林空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，對充分發(fā)揮森林經(jīng)營的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益起到積極促進(jìn)作用。津巴布韋就利用遙感技術(shù)，對實施土地改革計劃后的土地進(jìn)行監(jiān)控，以此評測土地改革計劃[38]。今后森林景觀格局分析結(jié)果將更多地為社會實際問題服務(wù)，解決經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)優(yōu)化中面臨的困惑，為我國人工林結(jié)構(gòu)優(yōu)化、森林資源可持續(xù)經(jīng)營、森林經(jīng)理及管理等提供服務(wù)。

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